主要影响超声波焊接有哪些因素？

超声波焊接的基本原理是将高频电能转化为高频振动的机械能。这种往复振动传递给热塑性塑料和金属，在塑料和塑料、塑料和金属或金属和金属界面产生摩擦和热量。超声波焊接中，摩擦产生热量，两个材料表面熔合。在超声铆接中，焊头控制熔融塑料的流动，成型并压紧零件。在超声波螺母镶嵌中，焊头将金属螺母打入塑料中。超声波焊接系统有多种配置选择，包括频率(15Khz-50Khz)、功率(600W-4800W)、气动超声波焊接机、伺服超声波焊接机、手持焊接机、非标准焊接机、金属超声波焊接机等。影响超声波焊接成功的因素也很多:模具(包括上焊头和下模)、频率、材料、焊接设计、焊接参数和零件注射等。本文介绍五个主要因素。

一、焊接系统频率典型的超声波焊接系统频率为15Khz、20Khz、30Khz、35Khz和40Khz。需要根据产品的尺寸、内部部件的种类、强度和外观等要求，选择合适的焊接频率。一般来说，可以参考以下原则:小型精密电子产品(包括PCB板和微电子元件)外壳焊接，高频40Khz焊接机焊接。40Khz焊机振幅更小，焊接压力也最小，可以避免损伤产品内部的电子部件。对于小型有a级外观要求的产品。采用40Khz焊机焊接，振幅和压力小，可改善外观。对于大中型零件焊接，采用低频15Khz或20Khz焊接机。柔软的材料，如PP和刚性差的薄壁产品，用低频大振幅的15Khz焊机焊接。远程焊接，即焊接头远离焊接位置，如超过12mm，采用低频大振幅的15Khz焊接机进行焊接。20Khz焊机适用于大多数小型中型产品的焊接，也是目前使用最广泛的超声波频率。

二、材料对塑料的超声波焊接，只适合焊接热塑性塑料。因为它们可以在特定的温度范围内熔化。热固性塑料加热时分解，不能用超声波焊接。热塑性塑料的焊接性取决于材料的刚性或弹性模量、密度、摩擦系数、导热系数、比热容量、玻璃化转换温度Tg或熔化温度Tm。一般来说，刚性好的塑料表现出优异的远程焊接性能，因为它们更容易传递振动能量。而弹性模量低的软性塑料，因其会衰减超声波振动，所以较难焊接。而对于超声波铆接或点焊则相反，塑料越软，就越容易铆接或点焊。通常，塑料分为非结晶(无定形)和结晶。超声波能量很容易在非结晶材料中传递，因此非结晶塑料容易进行超声波焊接。而超声波能量不容易在结晶材料中传递，因此焊接结晶塑料时需要更大的振幅和能量，同时也要小心设计焊缝。进一步影响焊接性的因素包括含水率、脱模剂、润滑剂、增塑剂、填充剂增强剂、颜料、阻燃剂等添加剂、实际树脂等级。此外，还应注意不同材料之间的相容性。有些材料的特定等级之间有一定的相容性，其馀的不相容。最后还要考虑焊接是近场焊还是远场焊。当焊头接触件位置至焊筋距离小于6mm时，称为近场焊接。超过6m，称为远程焊接。距离越大，振动衰减越大，焊接就越困难。

三、焊接接头设计影响超声波焊接最重要的因素是接头设计。零部件处于设计阶段时，工程师应慎重考虑和评价。焊接接头有多种设计，各有特点和优点。选择什么样的设计取决于塑料类型、零件几何形状、焊接要求、注射能力、外观要求等。典型的接头设计:

三角导向筋的设计。这是超声波焊接中最常用的设计，也是最容易注射的设计。其特点是平面有凸起的小三角，三角顶部为90度或60度。其尖端设计易于引导和集中振动能量，因此称为导能筋。

台阶间隙设计，易注射成型，上下部件自定位，焊接强度高，熔融材料流入垂直间隙。

槽缝设计，上下部件可自定位，具有高强度、密封性好的特点，内外无溢出。缺点是要求一定的壁厚。

剪缝设计一般用于要求高强度密封的较小尺寸的产品焊接，特别适用于结晶塑料焊接。

Scarf接头通常用于具有圆形或椭圆形的部件，提供高强度和高密封性，特别适用于结晶塑料的焊接。(以上焊接设计的详细内容将在后续文章中推出)。为了确定您的产品适合选择哪种焊接设计，请咨询超声波制造商的工程师或销售人员。

四、工装和焊头一般来说，客户会选择与焊机同一品牌的工装和焊头。事实上，你可以自由选择其他品牌提供的工装和焊接头，只要焊接头的频率与设备相同。焊头材料可选用铝合金、钛合金和硬质合金钢。工装材料可以选择铝合金、不锈钢和树脂模具。如何选材，一般要考虑塑料类型、材料玻璃纤维含量、接头结构和尺寸、焊接强度和寿命。例如，为了延长寿命，硬质合金钢焊头是最佳选择。

超声波焊头可以通过FEA(有限元分析)进行设计和优化，工程师可以在实际制造前评价焊头的振动状况和应力大小。最好的焊头设计是均匀的输出振幅和最小的应力。上图中，左侧图片是优化前焊头设计，振幅输出不均匀。右侧是优化后，输出振幅均匀。在焊头的设计和制造中，要注意对称性-焊头对称性是很重要的。不对称的焊头导致非轴向振动。径向振动会大大增加应力，导致焊头失效。好的工装设计也很重要。

工装有两个主要作用:

(1)对齐焊头下部件

(2)刚性支撑焊接区域。

刚性支撑有助于将超声波能量反射到焊接位置，因此工装通常使用金属加工件。为了提高焊接头的耐磨性，提高寿命，可以对焊接头的表面进行碳化钨处理和镀铬处理。工装可以分阶段设计，更适合产品。

五、焊接参数在焊接过程中，焊接参数会影响焊接结果。这些参数包括振幅、焊接压力、触发压力、焊接距离和焊接能量。不同类型的塑料需要不同的振幅。振幅可以通过软件中百分比设置进行微调，或者通过更换不同变比的调幅器进行大范围调节。焊接压力可以通过旋钮或者软件设置进行调整。触发压力是指焊头压住产品后，当压力达到某个设定值时，设备开始超声波，该值可以通过旋钮或软件设定进行调整。超声波焊接过程有几种控制方式:时间焊接模式，即设定超声波焊接的持续时间。距离焊接模式(位置焊接模式)，即设定焊接的距离或位置。能量焊接模式，即设置焊接的能量。不同产品的焊接适用于不同的焊接模式。例如薄片焊接采用能量焊接模式，尺寸公差大的产品采用距离焊接模式，有高度公差要求的产品采用位置焊接模式。此外，如果您愿意，您可以监控焊接过程中的所有参数，并设置参数合格部件之间，以避免事故。塑料超声波焊接属于特殊工艺流程。产品开发初期应与超声波设备商合作，利用设备商在该领域的经验，评估产品结构和焊接设计，对样品进行焊接测试。提高后续大批量生产的良好率。